基站共享電力鐵塔防雷與接地安全評估研究

杭一帆，陳 強，牛年增（中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007）

1 概述

可靠的防雷與接地措施是保證電力系統(tǒng)和通信系統(tǒng)安全運行的重要因素，電力行業(yè)與通信行業(yè)在各自領(lǐng)域都有成熟的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)定，主要標(biāo)準(zhǔn)包括交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范（GBT 50065-2011）和通信局站防雷與接地工程設(shè)計規(guī)范（GB 50689-2011）等。但由于電力設(shè)施和信息通信設(shè)備的耐壓水平存在較大差異，2 個行業(yè)對于防雷保護的側(cè)重點存在一定的差別［1］?？傮w上而言，電力行業(yè)側(cè)重于線路的絕緣耐壓，關(guān)鍵在于電力系統(tǒng)線路和桿塔等設(shè)備的過電壓防護和絕緣配合，通信行業(yè)側(cè)重于設(shè)備的精細(xì)保護，重點強調(diào)內(nèi)部等電位連接結(jié)構(gòu)以及“分級保護、逐級限壓”的防雷器分級配置［2］。

共享鐵塔是指在電力鐵塔上懸掛射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）及天線等通信設(shè)備，其中電力桿塔多為35 kV、110 kV 和220 kV，絕緣水平可達(dá)到幾百千伏，而基站通信設(shè)備的耐受電壓一般不超過2 kV［3-4］。當(dāng)發(fā)生短路事故或雷擊事故時，巨大的短路電流或雷電流會沿著鐵塔流入大地，與接地結(jié)構(gòu)和遠(yuǎn)端大地構(gòu)成回路。由于鐵塔鋼支撐結(jié)構(gòu)上電容電感以及接地電阻的存在，鐵塔不同位置處會出現(xiàn)電位差［5］。當(dāng)該電位差接近或達(dá)到基站通信設(shè)備的耐受電壓時，會發(fā)生擊穿，引發(fā)通信設(shè)備故障。此外，RRU 設(shè)備供電使用-48 V直流電沿鐵塔布線，局部漏電情況下會造成中性點接地線電位升高，導(dǎo)致保護接零的設(shè)備外殼帶電，威脅運檢人員的人身安全。

鑒于共享鐵塔技術(shù)的初步探索現(xiàn)狀，考慮到鐵塔和通信設(shè)備權(quán)利歸屬以及電力部門與通信部門的責(zé)任劃分等，共享鐵塔的防雷與接地要求還未形成相應(yīng)規(guī)范。因此，研究共享鐵塔上通信設(shè)備與電力設(shè)備的相關(guān)影響機理，提出過電壓防護措施是當(dāng)務(wù)之急。本文以220 kV 電力鐵塔和通信機房為研究對象，綜合二者標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中防雷接地要求，在CDEGS接地分析軟件中搭建共享鐵塔仿真模型，運用頻域矩量法分析不同狀態(tài)下鐵塔多個監(jiān)測點位的地電位升，明確電力鐵塔與通信機房的接地方式，并進一步提出優(yōu)化方案，為后續(xù)共享鐵塔的工程應(yīng)用提供指導(dǎo)意見。

2 共享鐵塔現(xiàn)狀

將天線、光纜等通信設(shè)施依附在電力桿塔上，可以減小運營商的投資，實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施資源的綜合利用。共享鐵塔布置如圖1 所示，RRU 安裝在電力鐵塔約20 m 高處，通信機房位于電力鐵塔下方，光纜以及直流電源線則通過外部引入機房內(nèi)［6-7］，共享鐵塔連接示意如圖2 所示。當(dāng)雷擊鐵塔頂端時，雷電流沿鐵塔進入接地網(wǎng)泄流，會影響鐵塔和通信機房接地網(wǎng)的暫態(tài)地電位升分布情況，從而影響機房內(nèi)通信設(shè)備的正常運行。此外，電源線、光纜及天線金屬支架與鐵塔塔身之間會產(chǎn)生強大的電位差，當(dāng)電位差大于擊穿電壓時會引起線路失火，對通信機房的安全運行造成極大的威脅。

圖1 共享鐵塔布置

圖2 共享鐵塔連接示意

目前電力鐵塔和通信機房之間的接地方式為分散接地和聯(lián)合接地，其中分散接地是將電力鐵塔的接地和通信設(shè)施的接地完全分開，包括天線、饋電電纜、光纜、地網(wǎng)等。聯(lián)合接地即上述設(shè)施通過可靠的連接方式聯(lián)為一體，通信機房地網(wǎng)與電力塔地網(wǎng)相互連通，天線與塔身直接連接，饋電線用饋線卡子與塔身固定，在RRU 側(cè)通過防雷器與塔身連接。接地方式的不同很大程度上影響了雷擊鐵塔時外部引入電纜、光纜等設(shè)施的防雷性能，因此二者的接地方式對整個共享鐵塔是極其關(guān)鍵的。

3 共享鐵塔仿真建模

3.1 模型搭建

基于電力鐵塔和移動通信機房的相關(guān)參數(shù)，采用國際上通用的接地仿真軟件CDEGS，對工程中所采用的220 kV 桿塔（型號：2F4SDJ）、桿塔接地體、通信機柜及通信機柜地網(wǎng)等進行建模，桿塔模型如圖3 所示。在地網(wǎng)不相連的情況下，分別搭建了機房放置在電力塔外和塔內(nèi)2 種模型，其中水平接地體的等效半徑為0.007 14 m，埋深為0.8 m，接地材料采用鍍鋅扁鋼。鐵塔接地網(wǎng)為水平鋪設(shè)，放射接地極4 根，垂直接地極4根；基站接地網(wǎng)為3 m×4 m的矩形，垂直接地極4根。

圖3 共享鐵塔仿真模型

3.2 雷電流模型

雷電流幅值、半峰值時間、波形陡度以及波形持續(xù)時間等變化范圍很大，但其波形都是非周期性沖擊波。進行雷擊計算時，根據(jù)具體的應(yīng)用場合，可以采用不同參數(shù)的雷電流。常見的雷電流波形有斜角波、半余弦波、半余弦波斜角平頂波、雙指數(shù)波等。本次雷電流波采取的是IEC61312標(biāo)準(zhǔn)《雷電電磁脈沖的防護》中的雙指數(shù)波形，具體為：

其中，Im是雷電流峰值，α為波前衰減系數(shù)，β為波后衰減系數(shù)。本次建模中α取值為14 000；β取值為6 000 000。針對電流波形幅值，在10～30 kA 區(qū)間內(nèi)挑選多個數(shù)值分別進行建模仿真，其中幅值為30 kA 的雷電流波形如圖4所示。在保證雷電流波頭時間分辨率的前提下，對雷電流做傅里葉分解，選擇460個頻點計算共享鐵塔內(nèi)多個監(jiān)測點的暫態(tài)地電位升。

圖4 雷電流仿真波形

3.3 監(jiān)測點選取

根據(jù)電力鐵塔和通信機房的位置，共設(shè)置4 處監(jiān)測點，具體如圖5所示。當(dāng)機房處于鐵塔外時，在鐵塔頂部加入雷電流激勵后，分別在5G 天線處、電力鐵塔地網(wǎng)邊緣處、通信機房地網(wǎng)中心處設(shè)置觀測點A、B、C；當(dāng)機房處于鐵塔下方時，在電力鐵塔地網(wǎng)中心處設(shè)置監(jiān)測點D。

圖5 共享鐵塔監(jiān)測點布置示意

4 暫態(tài)地電位分析

建立220 kV 共享鐵塔仿真模型，鐵塔上懸掛模擬通信設(shè)備，在土壤電阻率為100 Ω·m 時，雷電流幅值為30 kA。雷擊塔頂時，雷電流通過鐵塔泄放到接地網(wǎng)，此時4 處監(jiān)測點位的地電位升如圖6 所示，其中最大值為A處的6 126 kV，最小值為D處的20.8 kV。

圖6 雷擊鐵塔監(jiān)測點仿真結(jié)果

對于共享鐵塔來說，影響系統(tǒng)安全性最重要的因素之一就是暫態(tài)地電位升，而影響暫態(tài)地電位升的因素主要為雷電流幅值和大地土壤電阻率。本文雷電流幅值區(qū)間設(shè)置為10～30 kA，土壤電阻率參數(shù)設(shè)置區(qū)間為100～1 000 Ω·m，在不同因素下計算各監(jiān)測電位暫態(tài)地電位升峰值，具體如圖7所示。

圖7 暫態(tài)地電位升峰值

從圖7 可以看出，暫態(tài)地電位升跟土壤電阻率和雷電流幅值成正比關(guān)系，當(dāng)土壤電阻率和雷電流幅值越大時，整個塔體電位差隨之增大。而掛載天線（點位A）位于塔身高度20 m 處，其到鐵塔地網(wǎng)邊緣（點位B）的電位差與塔體電位差成正比，鐵塔地網(wǎng)泄流經(jīng)土壤少量流到通信地網(wǎng)上。從圖7 中監(jiān)測點C 和D 可以看出，相較于放置在塔內(nèi)的情況，機房放置在鐵塔外時地電位升峰值由225 kV降到118 kV。

此外，對比監(jiān)測點A可以得出，機房處地電位升遠(yuǎn)小于鐵塔處電位。在最惡劣的情況下，即當(dāng)土壤電阻率為1 000 Ω·m，雷電流幅值為30 kA 時，二者暫態(tài)地電位差可以達(dá)到6 928 kV，而常規(guī)電源線、光纜絕緣水平一般為幾十千伏以內(nèi)，容易發(fā)生擊穿，引起安全事故。因此需綜合考慮不同接地情況下，機房放置不同位置時，外部電源線、光纜等設(shè)備的絕緣水平是否能夠滿足雷擊時的要求。

5 接地分析及方案優(yōu)化

5.1 接地方式分析

目前共享鐵塔接地方式主要為聯(lián)合接地和分散接地，根據(jù)第3章仿真結(jié)果可知，分散接地情況下多個監(jiān)測點的地電位升?？諝忾g隙擊穿電壓計算如式（2）所示。

其中，Ub為擊穿電壓峰值，單位kV；d為間距，單位cm；σ為相對空氣密度；σd>0.751 0-3cm。由于直流電源線及光纜需通過PVC 套管與塔身綁扎固定，通過式（2）可以計算出當(dāng)雷擊共享鐵塔時，直流電源線及光纜不被擊穿情況下與塔身的安全間距，取部分?jǐn)?shù)據(jù)進行展示，具體如表1所示。

表1 不同情況下安全間距

從表1中數(shù)據(jù)可以得知，目前要想保證雷擊時，鐵塔上的電源線、光纜及天線金屬支架不被擊穿，在土壤電阻率為1 000 Ω·m，雷電流幅值為30 kA 的惡劣環(huán)境下，其安全間距最大須達(dá)433.1 cm以上，這在實際工況中很難實現(xiàn)。因此，在共享鐵塔的建設(shè)中，通信機房和電力鐵塔應(yīng)盡量采用聯(lián)合接地方式。

5.2 方案優(yōu)化

天線、RRU 及其支架（或者平臺）的金屬部件通過引接地線與鐵塔塔身可靠連接，連接點應(yīng)做好防腐處理。饋電線纜、光纜應(yīng)與鐵塔塔身可靠綁扎固定。饋電電纜金屬外護層應(yīng)分別在RRU（或天線）處以及機房入口處就近可靠接地。上塔光纜應(yīng)優(yōu)先選擇非金屬光纜；當(dāng)采用含金屬構(gòu)件的光纜時，光纜金屬構(gòu)件應(yīng)在RRU（或天線）處以及機房入口處就近可靠接地。室外走線架始末兩端均應(yīng)可靠接地。

通信機房地網(wǎng)與高壓電力塔地網(wǎng)如圖8所示，通信設(shè)施周圍設(shè)置環(huán)形水平導(dǎo)體形成均壓地網(wǎng)，環(huán)形水平導(dǎo)體埋深約為0.3 m，其與機房（機柜）距離約為0.6 m，并在四角設(shè)置垂直接地體。該均壓地網(wǎng)應(yīng)與高壓電力塔地網(wǎng)連為一體，且水平連接導(dǎo)體不少于2根。其中水平接地體采用40×4 熱鍍鋅扁鋼，垂直接地體采用50×50×5 mm 角鋼。當(dāng)機房（機柜）位于塔角之間時，宜采用與塔角對角線連接的方式；當(dāng)機房（機柜）位于鐵塔旁邊時，應(yīng)就近與塔角連接，接地網(wǎng)阻值應(yīng)小于10 Ω。

圖8 通信機房地網(wǎng)與高壓電力塔地網(wǎng)連接示意

6 結(jié)論

本研究通過搭建220 kV 電壓等級2F4SDJ 塔型的“鐵塔＋基站”共享鐵塔模型，針對不同土壤電阻率、不同雷電流幅值、不同連接方式等因素，在5G天線處、電力鐵塔地網(wǎng)邊緣處、通信機房地網(wǎng)中心處等設(shè)置觀測點，結(jié)合空氣間隙擊穿理論對地電位升進行了仿真分析，結(jié)論如下。

a）暫態(tài)地電位升跟土壤電阻率和雷電流幅值成正比關(guān)系，當(dāng)土壤電阻率和雷電流幅值變大時，整個塔體電位差隨之增大，鐵塔上掛設(shè)5G天線處的電位遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于通信機房地網(wǎng)中心處電位，二者之間差值高達(dá)幾千千伏，會對外部電源線、光纜等設(shè)備造成擊穿。

b）結(jié)合空氣間隙擊穿電壓計算公式，在分散接地情況下雷擊共享鐵塔時，要保證外部引入的電源線、光纜及天線金屬支架不被擊穿，安全間距需滿足433.1 cm，在實際工況下很難實現(xiàn)，因此在共享鐵塔建設(shè)中，通信機房和電力鐵塔盡量采用聯(lián)合接地方式。

c）基于地網(wǎng)聯(lián)合接地方式，從電力塔和基站防雷安全的角度而言，兩者之間電位差越小，越能形成均壓等電位的效果，更好保障機房內(nèi)設(shè)備的安全。通過對仿真結(jié)果的分析得出，通信機房放置在電力塔內(nèi)或者臨近鐵塔放置時電位差更小，均壓效果更好。